(57)【要約】【課題】ターボ過給機高回転時に電動過給機が吸気通路中で吸気抵抗とならず、また、電動過給機停止時であっても吸気通路が確保される過給装置とする。【解決手段】エンジン１４の排気ガスによって駆動するターボ過給機３と、ターボ過給機３の下流の吸気通路６に介装され、電動機１６によって駆動する電動過給機２３と、電動過給機２３を迂回して電動過給機２３の上流側と下流側の吸気通路とを連通するバイパス通路３０と、バイパス通路３０の吸気通路との合流部３１近傍に設けられたバイパス弁９と、バイパス弁９と電動過給機２３とを関連付けて制御し、電動過給機駆動開始後にバイパス弁９を閉じ、電動過給機２３上流の圧力が下流の圧力より低い間はバイパス弁９を閉じたまま、電動過給機２３上流の過給圧と下流の過給圧とがほぼ等しくなったときにバイパス弁９を開くよう制御するバイパス弁制御手段１９と、を備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気ガスによって駆動するターボ過給機と、
前記ターボ過給機の下流の吸気通路に介装され、電動機によって駆動する電動過給機と、
前記電動過給機を迂回して、前記電動過給機の上流側と下流側の吸気通路とを連通するバイパス通路と、
前記バイパス通路の前記吸気通路との下流側の合流部近傍に設けられたバイパス弁と、
前記バイパス弁と前記電動過給機とを関連付けて制御し、前記電動過給機駆動開始後に前記バイパス弁を閉じ、前記電動過給機上流の圧力が下流の圧力より低い間は前記バイパス弁を閉じたまま、前記電動過給機上流の過給圧と下流の過給圧とがほぼ等しくなったときに前記バイパス弁を開くよう制御するバイパス弁制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の過給装置。
【請求項２】
第１のインタークーラを前記ターボ過給機の下流、かつ前記バイパス通路との分岐部より上流の吸気通路に設ける請求項１に記載の内燃機関の過給装置。
【請求項３】
第１のインタークーラを前記バイパス通路中に設ける請求項１に記載の内燃機関の過給装置。
【請求項４】
第２のインタークーラを前記電動過給機の下流かつ前記バイパス通路との合流部より上流に設ける請求項２または３に記載の内燃機関の過給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の過給装置に関し、特に電動機により駆動する過給機を有する過給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジン出力を向上させる技術として、エンジンの排気ガスにより駆動され、吸入空気を加圧するターボ過給機が知られている。しかしながらターボ過給機には、エンジン低回転域では過給できないという問題や、過給に遅れが生じる、いわゆるターボラグという問題があった。
【０００３】
そこで、前述したターボ過給機の欠点を補うべく、ターボ過給機に加えて、電動機によって駆動する電動過給機を設置する技術が特許文献１に開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２１５７３号公報
【０００５】
【本発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１においてターボ過給機の下流に電動過給機を設ける場合に、電動過給機を迂回する吸気通路を設けていないので、ターボ過給機による過給圧が電動過給機による過給圧を超えた場合には電動過給機が吸気抵抗となり、電動過給機が停止しているときには電動過給機が吸気通路を閉塞してしまうといった問題があった。
【０００６】
そこで本発明では、ターボ過給機による過給圧が電動過給機による過給圧を超えた場合や電動過給機停止時に電動過給機が吸気通路中で吸気抵抗となること、および吸気通路を閉塞することを防止しつつ、さらに、過給の過渡応答性に優れる過給装置とすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の内燃機関の過給装置は、エンジンの排気ガスによって駆動するターボ過給機と、前記ターボ過給機の下流の吸気通路に介装され、電動機によって駆動する電動過給機と、前記電動過給機を迂回して、前記電動過給機の上流側と下流側の吸気通路とを連通するバイパス通路と、前記バイパス通路の吸気通路との合流部近傍に設けたバイパス弁と、前記バイパス弁と前記電動過給機とを関連付けて制御し、前記電動過給機駆動開始後に前記バイパス弁を閉じ、前記電動過給機上流の圧力が下流の圧力より低い間は前記バイパス弁を閉じたまま、前記電動過給機上流の過給圧と下流の過給圧とがほぼ等しくなったときに前記バイパス弁を開くよう制御するバイパス弁制御手段と、を備える。
【０００８】
【作用・効果】
本発明によれば、ターボ過給機下流に設けた電動過給機をバイパスするバイパス通路および前記バイパス通路を開閉するバイパス弁を設け、電動過給機と前記バイパス弁とを関連付けて制御するので、電動過給機停止時またはターボ過給機の過給効率が高まった時にもバイパス通路を通してエンジンへ必要十分な空気量を供給することができる。
【０００９】
また、バイパス弁をバイパス通路と吸気通路との合流部近傍のバイパス通路中に設けたことにより、バイパス弁閉弁時の電動過給機からエンジンまでの吸気容積が小さくなので、電動過給機による過給の過渡応答性が向上する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１は車両に搭載した本発明のシステムを示す図であり、１４はエンジン、３はエンジン１４の排気ガスによって駆動するターボ過給機である。
【００１２】
ターボ過給機３の上流の吸気通路２には図示しないエアクリーナから吸入した吸気量Ｑａを計測するエアフロメータ（ＡＦＭ）１を設置する。
【００１３】
ターボ過給機３の下流の吸気通路６には、駆動モータ１６によってコンプレッサー４を駆動して過給を行う電動過給機２３を備え、また、電動過給機２３を迂回して吸気通路６と電動過給機２３より下流の吸気通路１０をつなぐバイパス通路３０を設け、このバイパス通路３０を開閉するバイパス弁９を介装する。
【００１４】
本実施形態に用いる電動過給機２３はルーツタイプの容積型過給機であり、電動過給機２３が停止しているときは空気がコンプレッサー４を通過することができないので、この状態ではバイパス通路３０を介して空気をバイパスさせる。
【００１５】
バイパス通路３０内に介装するバイパス弁９は、閉弁時にバイパス弁９下流のバイパス通路容積を小さくするために、吸気通路１０とバイパス通路３０との合流部３１のできるだけ近くに設ける。また、吸気通路６のバイパス通路３０との分岐部３２より上流に第１のインタークーラ７ａを配置する。
【００１６】
また、電動過給機２３下流かつ合流部３１より上流に第２のインタークーラ７ｂを、バイパス弁９の上流と下流にはそれぞれ通路圧力を検出する圧力センサー２２、２４を設ける。
【００１７】
電動過給機２３は、ＥＣＭ１９からの信号に基づいてモーターコントローラ１８がバッテリ１７の電力を電動機１６に供給することにより駆動されるため、回転速度がエンジン１４の回転数に依存せず、過給圧が高まるまでの時間がターボ過給機３よりも短い。
【００１８】
そこでこの特性を生かして、エンジン１４が低回転域にある状況や、過給に遅れが生じるターボラグといったターボ過給機３が過給を行えない状況で、ターボ過給機３の過給が高まるまでの過給を賄うために電動過給機２３を稼働させる。
【００１９】
これら電動過給機２３とバイパス弁９を制御するためにコントロールユニット（ＥＣＭ）１９が備えられる。ＥＣＭ１９は、車両の加速要求があったとき、特に加速初期にターボ過給機３によるターボラグがある間、例えば数秒間、電動過給機２３を作動させると共にバイパス弁９を開閉させて、過給圧のつながりが滑らかとなるように過給を行わせる。
【００２０】
ＥＣＭ１９には、電動過給機２３のコンプレッサー４と電動機１６とを接続する回転シャフト２３ａの近傍に配置した回転速度センサー２０によって検出したコンプレッサー４の回転速度および加速要求検出手段１２によって検出した加速要求が、それぞれ回転速度検出信号Ｎｃ、加速要求検出信号Ｔｈとして読み込まれる。
【００２１】
加速要求検出手段１２は吸気通路１０に介装したスロットルバルブ１２の開度（あるいはアクセル開度）を検出するもので、スロットルバルブ１２の開度が予め定めた閾値を超えた場合に、車両が加速要求状態であると判断し、加速要求検出信号ＴｈをＥＣＭ１９に送る。ただし、前記閾値は一定の値、もしくはエンジン回転数に応じて徐々に大きくなるように決められる値となっている。
【００２２】
加速要求信号ＴｈがＥＣＭ１９に読み込まれると、ＥＣＭ１９は電動機１６に駆動指令を送る。このときバイパス弁９は開いたままである。そのまま加速が継続すると電動機１６の回転速度Ｎが上昇し、エンジン１４が吸入する空気量Ｑａとコンプレッサー４を通過する空気量Ｑｓが等しくなる。このときバイパス通路３０を流れる空気量はゼロである。ＥＣＭ１９はこの状態を検知してバイパス弁９を閉じる。このままバイパス弁９を開いていると、電動過給機２３の下流の吸気通路１０の圧力が上流の圧力よりも高くなり、空気がバイパス通路３０を逆流してしまい、エンジン１４に供給される空気が少なくなるためである。
【００２３】
エンジン１４が吸入する空気量Ｑａはエアフロメータ１によって検出する。
【００２４】
電動過給機２３を通過する空気量Ｑｓは電動機１６の回転速度Ｎによっておおよそ次式（１）のように定まる。
【００２５】
Ｑｓ＝変換係数Ａ×コンプレッサー回転速度Ｎ  ・・・（１）
変換係数Ａ：コンプレッサー４が一回転毎に送り出す空気量等
上記のエンジン１４が吸入する空気量Ｑａと電動過給機２３を通過する空気量が一致した瞬間に、バイパス弁９が完全に閉じていることが理想である。この時の電動機１６の回転数を目標回転速度ＮＴとすると、電動機１６が目標回転速度ＮＴになった瞬間にバイパス弁９を閉じればよい。
【００２６】
しかし、バイパス弁９に閉弁信号が入力されてから完全に閉じるまでには一定の遅れ時間Ｔが生じる。したがって、ＥＣＭ１９はこの遅れ時間Ｔを考慮した指令信号をバイパス弁９に送るようになっている。
また、バイパス弁９を閉じて電動過給機２３による過給を行っているときに、ターボ過給機３の回転速度が高まり電動過給機２３の上流と下流の圧力がほぼ等しくなったら、バイパス弁９を開き、電動過給機２３を停止する。これは、ターボ過給機３の回転速度がさらに高くなると、ターボ過給機３が圧送する空気量が電動過給機２３が圧送する空気量よりも多くなり、電動過給機２３が吸気抵抗となってしまうからである。
【００２７】
図２にＥＣＭ１９で行われる本実施形態の制御フローを示す。
【００２８】
ステップＳ１００では、車両が加速中であるか否かの判定を行う。
【００２９】
加速中である場合は、ステップＳ１０１に進み、電動過給機２３が稼動中か否かの判定を行う。
【００３０】
ステップＳ１０１で電動過給機２３が稼動中であると判定した場合には、ステップＳ１０５に進み、バイパス弁９が開いているか否かの判定を行う。
【００３１】
なお、ステップＳ１０１で電動過給機２３が停止中である場合はステップＳ１０２に進み、電動過給機２３を稼働させる。
【００３２】
ステップＳ１０５でバイパス弁９が開いていると判定した場合は、ステップＳ１０６に進み、エンジン吸入空気量Ｑａから、前述した電動過給機２３の目標回転速度ＮＴを求める。バイパス弁９が閉じている場合には後述するステップＳ１１０に進む。
【００３３】
ステップＳ１０７では、後述するフローに従って遅れ時間Ｔ経過後の予測回転速度ＮＦを求めてステップＳ１０８に進む。
【００３４】
ステップＳ１０７でＥＣＭ１９が行う制御を図３に示したフローチャートを用いて説明する。
【００３５】
ステップＳ２０１では、電動過給機２３のシャフト２３ａ近傍に設けた回転センサー２０によって検出した、現在の電動機１６の回転速度Ｎを読み込む。
【００３６】
ステップＳ２０２では、前記回転センサー２０の検出値から実際の電動機１６の回転上昇速度ΔＮを読み込む。
【００３７】
ステップＳ２０３では、電動機１６の電流値Ｉ、電圧値Ｖを読み込む。
【００３８】
ステップＳ２０４では、図４に示す回転上昇予測値のテーブルを検索して、遅れ時間Ｔの間に上昇する回転速度ΔＮＭＡＰを求める。図４のテーブルは、回転速度Ｎが高くなるほど回転上昇予測値が小さくなっている。これは、図５に示した一般的な電動機の特性図からわかるように、電動機は回転速度が高くなるほどトルクが低下する特性を持つので、回転速度が高くなるほど一定時間に上昇する回転数が少なくなるからである。
【００３９】
ステップＳ２０５では、電動機１６の回転上昇速度が電動機１６にかかる負荷の変化や経時劣化等によって変化することを考慮して、回転上昇実速度ΔＮを逐次検出し、この検出値から回転上昇予測値ΔＮＭＡＰの補正を行い、ΔＮ１とする。
【００４０】
ステップＳ２０６では、電動機１６の回転上昇速度が電流値Ｉにより変化することを考慮して、検出した電流値Ｉを用いてステップＳ２０５で求めた回転上昇予測値ΔＮ１を補正してΔＮ２とする。
【００４１】
ステップＳ２０７では電動機１６の回転上昇速度が電圧値Ｖにより変化することを考慮して、検出した電圧値Ｖを用いてステップＳ２０６で求めた回転上昇予測値ΔＮ２を補正してΔＮ３とする。
【００４２】
ステップＳ２０８では、ステップＳ２０１で読み込んだ電動機１６の回転速度Ｎに、上記で求めた回転上昇速度ΔＮ３と遅れ時間Ｔを積算して求めた上昇予測値ΔＮＥを加えて遅れ時間Ｔ後の予測回転速度ＮＦを求める。
【００４３】
以上のように予測回転速度ＮＦを求め、図２のステップＳ１０８へと進む。
【００４４】
なお、ステップＳ２０５〜Ｓ２０７において補正を行っているが、必ずしもすべての補正を行う必要はなく、いずれか１つのみ、もしくは２つでもかまわない。
【００４５】
ステップＳ１０８では上記予測回転速度ＮＦが目標回転速度ＮＴ以上であるか否かの判定を行い、予測回転速度ＮＦが目標回転速度ＮＴと一致もしくはそれ以上であった場合はステップＳ１０９に進み、バイパス弁９を閉じる。予測回転速度ＮＦが目標回転速度ＮＴより低い場合はバイパス弁９を開いたまま、ステップＳ１００に戻る。
【００４６】
ステップＳ１０５でバイパス弁９が閉じている場合には、ステップＳ１１０に進み、電動過給機２３の上流の圧力Ｐ１と下流の圧力Ｐ２とを比較する。
【００４７】
上流の圧力Ｐ１が下流の圧力Ｐ２以上であれば、ステップＳ１１１でバイパス弁９を開き、ステップＳ１１２で電動過給機２３を停止する。
【００４８】
上流の圧力Ｐ１の方が下流の圧力Ｐ２よりも低い場合にはそのまま電動過給機２３による過給を続ける。
【００４９】
ステップＳ１００で車両が加速中でない場合にはステップＳ１０３でバイパス弁９を開き、ステップＳ１０４で電動過給機２３を停止する。
【００５０】
上記制御の閉弁動作時のタイムチャートを図６に示す。
【００５１】
スロットルバルブ１２の開度が加速要求開度として設定した敷居値を超えた瞬間（ｔ＝ｔ０）にＥＣＭ１９は電動機駆動指令を出す。
【００５２】
電動機１６は駆動を開始して回転速度Ｎが上昇し、それに伴って予測回転速度ＮＦも上昇する。そしてｔ＝ｔ１のときに予測回転速度ＮＦが目標回転速度ＮＴに達すると、ＥＣＭ１９はバイパス弁９に閉弁指令を出す。
【００５３】
閉弁指令を受けたバイパス弁９は閉弁動作を開始するが、全閉状態になるのはｔ＝ｔ２である。このｔ１からｔ２までの時間が遅れ時間Ｔである。遅れ時間Ｔの間も電動機１６の回転速度は上昇し続けて、ｔ＝ｔ２の時点で目標回転速度ＮＴになっている。
【００５４】
また、図７にバイパス弁９の開弁動作のタイムチャートを示す。
【００５５】
スロットルバルブ１２の開度が加速要求開度として設定した閾値を超えた瞬間（ｔ＝ｔ０）にＥＣＭ１９は電動機駆動指令を出す。
【００５６】
電動機１６がＯＮになるのに伴って、前述したタイミングでバイパス弁９が閉弁し、上流側、下流側の圧力が共に上昇する。
【００５７】
前述したようにターボ過給機３に比べて電動過給機２３は回転速度の上昇が速いので、下流側の圧力Ｐ２の上昇速度は上流側の圧力Ｐ１よりも速い。電動機１６の回転速度はｔ０１で限界に達するが、エンジン回転速度は更に上昇して吸入空気量が増加するので、下流側の圧力Ｐ２は下降し始める。
【００５８】
一方ターボ過給機３の回転速度はエンジン回転速度の上昇とともに高くなるので、上流側の圧力Ｐ１は上昇し続ける。
【００５９】
ｔ０２で上流側と下流側の圧力が等しくなったときにバイパス弁９を開弁し、電動機１６を停止するが、ターボ過給機３による過給が行われているので、吸気通路内の圧力は上昇を続ける。
【００６０】
以上のように、バイパス弁９が閉弁指令を受けてから全閉状態になるまでの遅れ時間Ｔの間に電動機１６の回転速度が上昇することを考慮して予測回転速度ＮＦを設定し、この予測回転速度ＮＦが目標回転速度ＮＴになった時点で閉弁指令を出すので、電動機１６が目標回転速度になったときに、同時にバイパス弁９が全閉状態となり、閉弁時のトルク変動を防止することができる。
【００６１】
回転上昇予測値テーブルから検索した回転上昇予測値を、逐次検出した回転上昇実速度ΔＮに基づいて補正しているので、電動機１６にかかる負荷の変化や経時劣化等によって回転上昇速度が変化しても、正確な予測回転速度ＮＦを求めることができる。
【００６２】
回転上昇予測値テーブルから検索した回転上昇予測値を、電動機１６の電流値Ｉ、電圧値Ｖに基づいて補正しているので、運転状態、発電状態およびバッテリ容量等が変化しても正確な予測回転速度ＮＦを求めることができる。
【００６３】
バイパス弁９を閉じた状態で電動過給機２３による過給を実行中に、ターボ過給機３の回転速度が高くなり電動過給機２３の上流と下流の圧力がほぼ等しくなったときにはバイパス弁９を開き、電動過給機２３を停止するので、空気はバイパス通路を通ってエンジン１４へ供給されることになり、電動過給機２３が吸気抵抗となることを防止できる。また、バイパス弁９を開くのは、上下流の圧力がほぼ等しいとき、つまりバイパス弁９を開いても空気がほとんど流れないときなので、バイパス弁９開弁時に吸気通路内の空気の流れが急激に変化することがない。したがって開弁時のトルクショックの発生を防止できる。
【００６４】
以上より本実施形態では、以下のような効果が得られる。
【００６５】
電動過給機２３と並行するバイパス通路３０およびバイパス通路３０を開閉するバイパス弁９を設け、加速要求がなく電動過給機２３が停止している場合、および加速要求時にターボ過給機３の過給効率が高まった状態ではバイパス弁９を開くので、バイパス通路３０を通してエンジン１４に要求通りの空気量が供給される。つまり、電動過給機２３が停止時に吸気通路を閉塞したり、ターボ過給機３が高効率で稼動している時に電動過給機２３が吸気抵抗になったりすることがない。
【００６６】
バイパス弁９をバイパス通路３０の合流部３１近傍に設けたので、バイパス弁９閉弁時のバイパス弁９と合流部３１との間の容積が小さくなる。これにより電動過給機２３からエンジン１４までの吸気容積を小さくできるので、電動過給機２３駆動時の過渡応答性が向上する。
【００６７】
ターボ過給機３の過給が立ち上がるまで補助的に過給を行う電動過給機２３の駆動に排気ガスを用いず、電動機１６のみによって駆動するので、排気ガスから電動過給機２３への熱伝達がほとんどない。これにより電動機１６の駆動中の温度上昇を抑制できるので、登坂路等においてターボ過給機３の過給圧がなかなか高まらず、電流を流す時間を長くして電動過給機２３が長時間過給しなければならない場合でも電動過給機２３を止めることなく駆動させることも可能となる。
【００６８】
吸気通路６の分岐部３２より上流にインタークーラ７ａを設けることによって、エンジントルクの向上とノックの低減を可能としつつ、ターボ過給機３で圧縮されて高温になった空気がインタークーラ７ａによって冷却されてから電動過給機２３に供給されるので、電動過給機２３のコンプレッサー４からシャフト２３ａ、電動機１６へと伝わる熱量が小さくなり、電動機１６の効率を向上できる。
これにより電動機１６の電流値を増加させてトルクを向上させ、運転者の要求する加速要求直後の加速を実現することが可能となる。
【００６９】
バイパス弁９とターボ過給機３、電動過給機２３を関連付けて制御するので、電動過給機２３のＯＮ・ＯＦＦに伴うトルク変動や空燃比のずれを防止でき、また電動機１６によって駆動するため従来の機械式過給機のようなクラッチ接続に伴うショックもない。よって加速要求時に運転者に不快なショックが伝わることが無くなる。
【００７０】
電動過給機２３の駆動に排気ガスを使用しないので、排気配管との位置関係に制約がなくなり、レイアウトの自由度が高くなる。したがって、電動過給機２３からスロットルバルブ１２までの経路長を可能な限り短くすることで、電動過給機２３稼働時の過渡応答性の向上を図れる。
【００７１】
電動過給機２３の駆動に排気ガスを使用しないので、電動過給機２３のＯＮ・ＯＦＦに伴う排気経路の切換えが必要なくなり、配管切換えに必要なバルブは吸気配管用のみ、特に本実施形態においてはバイパス通路３０に設けたバイパス弁９のみとなる。これによりバイパス弁９とターボ過給機３、電動過給機２３の関連付けた制御が複雑になることを防止できる。
【００７２】
第２実施形態について図８を用いて説明する。
【００７３】
本実施形態と第１実施形態との違いは、第１のインタークーラ７ａを設置する場所であり、本実施形態ではバイパス通路３０のバイパス弁９より上流にインタークーラ７ａを設置する。バイパス弁９の開閉制御、電動過給機２３の駆動制御等は第１実施形態と同様である。
【００７４】
上記の構成により、加速時にバイパス弁９を閉じて電動過給機２３を駆動する場合に、ターボ過給機３によって加圧された空気はそのまま電動過給機２３へ供給される。これにより、インタークーラ７ａを通過してから電動過給機２３に供給されるのに比べて圧力損失が少なくなるので、加速時の過給の過渡応答性が向上する。
【００７５】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態のシステム構成を表す図である。
【図２】第１実施形態のバイパス弁の開閉制御のフローチャートである。
【図３】電動過給機の予測回転速度を求めるフローチャートである。
【図４】回転上昇予測値のテーブルである。
【図５】一般的な電動機の特性図である。
【図６】閉弁動作時のタイムチャートである。
【図７】開弁動作時のタイムチャートである。
【図８】第２実施形態のシステムを表す図である。
【符号の説明】
１  エアフローメータ（ＡＦＭ）
３  ターボ過給機
４  コンプレッサー
６  吸気通路
７ａ  インタークーラ（第１のインタークーラ）
７ｂ  インタークーラ（第２のインタークーラ）
９  バイパス弁
１０  吸気通路
１２  スロットルバルブ
１４  エンジン
１６  電動機
１７  バッテリー
１８  モーターコントローラ
１９  コントロールユニット
２０  回転速度センサー
２２、２４  圧力センサー
２３  電動過給機
２５  開閉センサー
３０  バイパス通路
３１  合流部
３２  分岐部
【図１】
2005061243.tif 000003
【図２】
2005061243.tif 000004
【図３】
2005061243.tif 000005
【図４】
2005061243.tif 000006
【図５】
2005061243.tif 000007
【図６】
2005061243.tif 000008
【図７】
2005061243.tif 000009
【図８】
2005061243.tif 000010